第三节 影响车辆蛇行运动稳定性的因素
汽车稳定性分析及对策研究
汽车稳定性分析及对策研究随着汽车工业的不断发展，车辆的设计、制造和性能都得到了极大的提升，然而在实际驾驶过程中，车辆稳定性依然是一个十分重要的问题。
汽车稳定性不仅关乎车辆安全性，也直接影响了驾驶者的驾驶体验。
对汽车的稳定性分析和对策研究具有重要意义。
一、汽车稳定性分析1.1 车辆稳定性的定义车辆稳定性是指车辆在行驶中保持直线行驶或在转弯、避障等特殊场景下保持稳定的能力。
一个稳定的车辆能够更好地保持横向、纵向和转向的稳定性，提高了车辆的操控性和安全性。
1.2 影响车辆稳定性的因素车辆稳定性受到诸多因素的影响，包括悬挂系统、操控系统、车辆质量、车辆速度等。
其中最主要的因素包括横向稳定性和纵向稳定性。
横向稳定性是指车辆在转弯、避障等横向运动时的稳定性，主要受悬挂系统、车辆重心、轮胎性能等因素影响。
而纵向稳定性是指车辆在加速、制动等纵向运动时的稳定性，主要受制动系统、悬挂系统、车辆重心等因素影响。
1.3 车辆稳定性测试为了评估车辆的稳定性，工程师们设计了一系列的测试项目来检验车辆在各种运动情况下的性能。
比如在横向稳定性测试中，会进行转向稳定性测试、侧倾角测试、悬挂系统性能测试等；在纵向稳定性测试中，会进行加速稳定性测试、制动稳定性测试等。
只有通过这些测试项目，才能够全面评估车辆的稳定性能力。
二、汽车稳定性对策研究2.1 悬挂系统优化悬挂系统是影响车辆稳定性最重要的部件之一，因此优化悬挂系统对于提升车辆稳定性至关重要。
通过采用新材料、新工艺、新设计，可以提高悬挂系统的刚性和稳定性，从而减小车身的横摇、纵摇等现象，提高车辆的稳定性。
2.2 轮胎性能提升轮胎是车辆与地面接触的唯一部件，其性能直接影响车辆的操控性和安全性。
因此改善轮胎的性能，是提升车辆稳定性的有效途径。
可以通过采用新材料、新结构、新制造工艺等手段来提升轮胎的抓地力、耐磨性等性能，从而提高车辆在横向和纵向运动中的稳定性。
2.3 电子稳定控制系统随着电子技术的不断进步，车辆的稳定性控制系统也得到了极大的提升。
第一章汽车使用性能3(操纵稳定性)
z 来评价稳态响应。 向灵敏度。
z 称为稳态横摆角速度增益，也称转
汽车稳态转向特性
稳定性因数
z
的计算如下：
式中
z V /L 1 KV 2
K m b a ( ) L2 1 2
K — 称为稳定性因数（s2/m2）。 稳定性因数K是表征汽车稳态转向特性的一个重要参数，它把汽车结构 参数m、L、a、b、κ 1、κ 2与稳态转向特性定量地联系起来，以便从设计 上保证汽车具有适当的转向特性。现代轿车在侧向加速度为0.3g时的平 均K值约为0.002 s2/m2。
侧向稳定性是指汽车抵抗侧翻和侧滑的能力。
侧向稳定性条件
若汽车转弯行驶满足一定条件，则不会产生侧向翻车和
滑移。
不侧滑的最高车速
设汽车在弯道行驶时，不发生侧向滑移的最高车速为V
max
汽车行驶稳定性
画受力图分析（汽车在横向坡度角为β的路面等速向左转向行驶）
由图列方程并整理得不侧滑
的最高车速为：
汽车不纵翻的最大道路坡度角 当道路的纵向坡度角较大时，汽车重力沿纵向坡道的分力 可能导致汽车的纵翻。研究分析表明，汽车等速行驶时， 上坡比下坡更容易纵翻；上坡行驶时，后轮驱动的汽车更
容易纵翻。因此，下面以4×2后轮驱动汽车等速上坡为例
说明汽车不产生纵翻的条件。
汽车行驶稳定性
汽车上坡时的受力分析 后轮驱动、匀速上坡、令Fw=0，Tf=0
汽车稳态转向特性 用转向半径比值表征
R/R0 不足
1 过多
中性
R/R0=1 ，中性转向。 R/R0＞1，不足转向，V↑，R/R0↑。 R/R0＜1，过多转向，V↑，R/R0↓。
V
汽车稳态转向特性
汽车操纵稳定性的影响因素分析
汽车操纵稳定性的影响因素分析首先，车身结构是影响汽车操纵稳定性的重要因素之一、车身结构的稳定性直接影响汽车在行驶过程中的稳定性。
在现代汽车中，多采用刚性车身结构，通过增加车身承受力和减小车身变形来提高操纵稳定性。
此外，也可以通过设置加强材料和合理的技术来增强车身结构的稳定性。
其次，悬挂系统也是影响汽车操纵稳定性的重要因素之一、悬挂系统是汽车传递和吸收路面不平衡的重要组成部分。
合理的悬挂系统可以提供更好的动力传递和路面适应能力，从而增强汽车的操纵稳定性。
常见的悬挂系统包括独立悬挂、麦弗逊悬挂和多连杆悬挂等。
每种悬挂系统都有其特点和适用范围，根据车辆的具体需求选择合适的悬挂系统可以提高操纵稳定性。
此外，轮胎也是影响汽车操纵稳定性的重要因素之一、轮胎是汽车与地面直接接触的部分，其对操纵稳定性的影响非常明显。
轮胎的胎压、胎面宽度、花纹设计等都会对汽车的操纵稳定性产生影响。
保持合适的轮胎胎压和选择适合路面状况的轮胎类型可以提高汽车的操纵稳定性。
此外，制动系统和转向系统也会对汽车的操纵稳定性产生影响。
制动系统的性能直接影响汽车在制动过程中的稳定性，制动系统工作正常、制动力分配合理可以提高汽车的操纵稳定性。
转向系统的灵活性和准确性对汽车的操纵稳定性也有很大的影响，一个优秀的转向系统可以提供更好的转向操控性能，从而提高操纵稳定性。
最后，车辆动力系统也是汽车操纵稳定性的影响因素之一、动力系统的平衡性和输出能力直接影响汽车在行驶过程中的稳定性。
一个动力系统输出平稳、动力响应灵敏的汽车会具有更好的操纵稳定性。
综上所述，影响汽车操纵稳定性的因素有车身结构、悬挂系统、轮胎、制动系统、转向系统和车辆动力系统等。
通过合理选择车辆的配置和维护保养车辆的各个部分，可以提高汽车的操纵稳定性，保证驾驶员和乘客的安全。
铁路车辆运行稳定性考核试卷
B.车辆在直线轨道上比曲线轨道更稳定
C.轨道不平顺度越大，稳定性越差
D.车辆自重越小，稳定性越好
7.下列哪种车辆设计可以提高运行稳定性？（）
A.低车轴
B.宽轮对
C.高重心
D.刚性悬挂
8.在曲线轨道上，铁路车辆产生侧向力的主要原因是（）
A.车辆的重力
B.轨道的曲率
C.车辆的运行速度
...（此处省略其他题目的答案）
四、判断题
1. ×
2. √
3. ×
4. ×
5. √
...（此处省略其他题目的答案）
五、主观题（参考）
1.影响铁路车辆运行稳定性的主要因素包括车辆设计、轨道条件、运行速度等。提高稳定性的措施有：优化悬挂系统设计、提高轨道维护质量、合理控制运行速度等。
2.轨道的几何状态影响车辆的平稳运行，如曲率和不平顺度会导致车辆产生侧向力和垂向力，影响稳定性。通过改善轨道几何状态，可提高稳定性。
3.高速铁路车辆可能遇到的稳定性问题包括蛇行运动、侧翻等。解决措施有：采用主动悬挂系统、增加车辆自重、优化车辆空气动力学设计等。
4.主动悬挂系统优点是可根据运行状态实时调整，提高稳定性；缺点是成本高、技术复杂。被动悬挂系统优点是结构简单、成本低；缺点是适应性差，稳定性不如主动悬挂系统。
11.铁路车辆的运行稳定性与下列哪个物理量无关？（）
A.惯性矩
B.质量分布
C.车辆速度
D.轨道温度
12.下列关于车辆悬挂系统的描述，哪个是正确的？（）
A.悬挂系统越硬，车辆的运行稳定性越好
B.悬挂系统越软，车辆的运行舒适性越差
C.悬挂系统的刚度与车辆的运行稳定性无关
D.悬挂系统可以减缓轨道不平顺对车辆的影响
汽车的行驶稳定性
W W
W
hg l2
i
v2 gR
ih
对载重汽车，一般hg/l2≈1，则
I
i
v2 gR
ih
纵坡折减：
▪ 直坡道上ih≈0则I=i。即汽车沿直坡道下坡时，前轴 荷载增量与在平直路段前轴荷载的比率等于该路段的
纵坡度。在曲线上如果也以直线上相同大小的最大纵
坡imax作为控制，则有下式成立
i
v2 gR
ih
imax
汽车内侧车轮支反力N1为0。 倾覆力矩等于或大于稳定力矩。
横向倾覆平衡条件分析：
倾覆力矩：Xhg
稳定力矩：
Y
b 2
(Fih
G)
b 2
G
b 2
横向倾覆平衡条件分析：
倾覆力矩：Xhg
稳定力矩：
Y
b 2
(Fih
G)
b 2
G
b 2
稳定、平衡条件：
Xhg
G
b 2
X b G 2hg
汽车在平曲线上行驶时，不产生横向倾覆的最小
临界状态：汽车前轮法向反作用力Z1为零 。 Z1L - Gl2cosα0 + Ghgsinα0=0 Z1L = Gl2cosα0 - Ghgsinα0=0
t gα 0
l2 hg
i0
l2 hg
2．纵向滑移（驱动轮滑转）
临界状态：下滑力等于驱动轮与路面的附着力
Gsinα＝Gk
因为sinα tgα= i，则纵向滑移临界状态
平曲线半径R min：
R min
V2
127( b
2hg
ih )
V2 127R
ih
3.横向滑移条件分析
横向滑移：汽车在平曲线上行驶时，因横向力的存 在，可能使汽车沿横向力的方向产生横向滑移。
非正常状态下三大件转向架重车蛇行失稳原因与仿真
非正常状态下三大件转向架重车蛇行失稳原因与仿真
杨利军，胡用生，洪春雷，孙丽霞 （同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 200331）
l (1 z z ) cos( ) ( z z ) sin( ) u (1 z z ) cos( ) ( z z ) sin( )
图 3 斜楔与立柱主摩擦面正压力与斜楔角关系
图 4 斜楔与摇枕副摩擦面正压力与斜楔角关系
同理，车辆运行时受到线路激扰，会产生一定幅度的横向振动，通过作用在斜楔主副摩 擦面上的横向摩擦力（正压力×摩擦系数）进行衰减。 由于转 K6 转向架采用了小角度斜楔，抗菱刚度和垂向、横向减振性能较传统三大件转 向架都得到了改善， 空重车运行品质和临界速度得到较大幅度提高。 这一点可从第 2 节的试 验结果得到验证。 此外， 斜楔和侧架立柱主摩擦面及摇枕副摩擦面间的摩擦系数对摩擦力大小也有显著影 响。 主摩擦面摩擦系数越大， 斜楔摩擦副上下或横向减振运动时， 其表面作用的摩擦力越大。 试验表明：如将可在 45°斜楔角转向架上正常使用的磨耗板（硬度高，摩擦系数大）换 装到斜楔角为 32°的新型转向架上，由于摩擦力增加过大，就容易产生对斜楔的粘连和卡滞 咬合[6]。此时，摇枕相对侧架的横向运动受阻，位移变小甚至停止，摩擦功主要作用在垂直 方向，斜楔处无法实现中央横向减振作用，容易出现车辆的蛇行失稳。试验中，在拆除试验 转向架沟槽磨耗板并更换材料后重新试验，重车蛇行即刻消失，问题得以解决。 下面通过建立合理的空重车数学模型， 对斜楔发生卡滞前后空重车的动力学性能进行仿 真，并和试验结果进行验证，探讨重车失稳而空车正常运行的根本原因，为改进、优化 设计方案提供分析依据。
车辆系统临界速度计算方法
0
在低速运行条件下，锥形踏面轮对有蠕滑力作用时仍按 运动学蛇行运动规律运动。
车辆的蛇行运动稳定性
速度较高时自由轮对的蛇行稳定性：
当运行速度比较大时, 不能忽视轮对的惯性力。令 F f f ，式一课 转化为： 解可以写成：
r l
y M y F ( ) 0 v (式五) b yb J F ( )0 v r
0
0 0
y
纯滚动横向速度
r
r
车辆的蛇行运动稳定性
右轮分析：
纵向蠕滑率=（车轮实际前进速度-车轮纯滚动前进速 度）/车轮实际前进速度 横向蠕滑率=（车轮实际横向速度-车轮纯滚动横向速 度）/车轮实际前进速度 蠕滑力=—蠕滑系数X蠕滑率
纵向蠕滑率：
r b ( r y ) b y r r r
t
0 0
散的运动, 即时间愈长轮对偏离对 中位置愈远。
t
是负实数, 则轮对的运动为
收敛的运动, 即轮对有初始位移时, 时间愈长, 轮对逐渐收敛至对中位 置。
车辆的蛇行运动稳定性
速度较高时自由轮对的蛇行稳定性：
2）根为虚数 i
y y e e
0 0
i t
xl l 0 0
y F f( ) r
yl l 0
车辆工程 P268 错误
车辆的蛇行运动稳定性
蛇行运动方程：
根据轮对平衡条件，可确定在蠕滑力作用 下轮对运动方程为：
M y F F 0
yl yr
J F b cos F b cos 0
xr xl
轮对摇头角很小，一般来说 b cos b
轨道车辆系统动力学
轨道车辆系统动力学2016期末考试题库1.列车车辆动力学的核心要素有哪些？2.简述一次蛇行和二次蛇行的产生原因及它们对车辆稳定性的影响，应采用何措施来控制一次蛇行和二次蛇行？3.影响列车脱轨的原因有哪些？（车辆方面，轨道方面和运用方面）4.刚性轮对与独立轮对的主要区别是什么？它们的踏面设计会有什么不一样的要求？5.轨道不平顺的分类及产生原因？6.什么叫一次蛇行运动？什么叫二次蛇行运动？7.怎么计算列车轮对踏面与导轨之间的蠕滑力?简述轮轨蠕滑力的求解过程。
8.轮对的磨耗按主要磨损区域可划分为哪两类？同时请问现有的轮对镟修策略标准由哪些（至少说出两种）？9.脱轨系数和轮重减载率指标有何异同？10.刚性轮对和独立轮对的最主要区别是什么？此主要区别使得独立轮对转向架形成了哪些主要特点？11.如何测量轨道不平顺？12.运用Kalker线性蠕滑理论建立刚性轮对线性化横向动力学微分方程。
根据建立的轮对运动学微分方程，分析影响刚性轮对车辆蛇形运动的·临界速度的因素。
13.对于车辆曲线通过性能有哪些影响因素？如何提高其过曲线性能？14.车体蛇行和转向架蛇行分别有什么含义，有何特征及避免措施？15.与传统刚性轮对相比，分析独立轮对在导向能力上的不足？并提出增加独立轮导向能力的措施？16.什么是蠕滑？简述蠕滑率的定义。
蠕滑率与蠕滑力之间有什么关系？并说明蠕滑力的大小与什么因素有关？17.一次蛇行、二次蛇行的概念？蛇行运动的特点？18.如何在进行车辆参数设计时，均衡考虑车辆的稳定性和曲线通过性能？19.影响列车脱轨的原因有哪些？20.推导Nadal脱轨公式。
脱轨临界状态时，脱轨车轮受力如图所示：由图得到力平衡方程：求解上述方程组可得到Nadal公式：21.常见的轨道不平顺有哪些？都指什么？22.习题一：试编制轮轨几何接触计算分析软件并分析一个案列（15分）23.习题二：采用矩阵组装法计算垂向振动系统的特征值及特征向量（15分）1.列车车辆动力学的核心要素有哪些？列车车辆动力学发展至今，在工程实践的基础上，形成了一个以轮轨关系为核心理论基础，涵盖轮轨相互作用，车辆系统的振动模态，蛇形稳定性，对轨道不平顺的振动响应，通过曲线、道岔等非直线轨道的动态特性预测，列车与轨道、桥梁及空气的相互作用，弓网相互作用等核心要素的系统学科。
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3) 中央悬挂装置的横向刚度K2Y：
计算表明，K2Y增加不大（例如５０％以下时），对临界 速度几乎无甚影响，当增加较大时，临界速度值略有提高。 K2Y值通常由改善横向平稳性的要求来选择。
4) 蠕滑系数f11 、f22：
蠕滑系数对临界速度的影响较小，虽人为地将它增 加一倍，但临界速度值也只是略有下降。而且蠕滑系数 是不能作为一个参数来选择的，正如式（４一２）指出 的那样，它的理论值仅取决于车轮直径及轴重，而实际 上还随着气象条件而变化。
1. 影响转向架蛇行运动临界速度的主要因素:
(1) 轮对定位刚度K1x ，K1y： 轮对的纵向定位刚度值K1x和横向定位刚度值K1y对转向架蛇行运动的临界速度V起着决 定性的影响，所以在设计转向架时，必须选择各种不同的参数进行多方案比较，从而获得最 佳的匹配关系。 图４—１５表明某一客车转向架在各种不同的K1y值下，K1x与Vcr的关系。
1x 1Y
2) 车轮踏面斜率λ：
λ值对临界速度V有着重要的影响，λ与V之间的关系如图４—１６所示。由 图可见，临界速度与踏面斜率的平方根近似地成反比。
实践表明，当使用新轮对或踏面刚旋削过，车辆蛇行运动的稳定性就很好，但经一 个阶段运用后，踏面迅速磨耗成凹形，这时轮轨接触点处的有效斜率随之增大，因此蛇 行运动的临界速度也因之下降。所以，日本在设计新干线电动车组时，为了提高临界速 度，将踏面斜率从１：２０改成１：４０。但是为了保证高速运行时蛇行运动的稳定性， 不得不增加旋修踏面的工作量。
由图可知，如果选择不太大的轮对横向定位刚度值。则K1x在较大的范围内变化时，仍可获得 较高的Vcr
表４—３还列出某转向架五种不同的轮对定位刚度值及其相应的蛇 行运动临界速度值以供分析参考
对图４—１５的说明与表４—３的分析比较，两者是一致的。应该指出：对于某一种 类型结构的转向架，其轮对定位刚度值有一最佳的匹配范围，这个范围需要经过大量 的计算才能获得。例如，对于我国目前使用的客车转向架参数，它们的轮对定位刚度 最佳范围大致为： k = ８～3０兆牛／米 K =５～１０兆牛／米。
2) 轮对纵向定位刚度K1x对车体蛇行运动的临界速度V的影响
如K2X=０、K1Y=３０兆牛／米，可得到K1X与 VCR的关系，如图４一 １８所示。
3) 车体与转向架之间装设刚度为Ｋ2X的回转复原弹簧, K1Y与 VCR的关系
图 ４—１９表示在车体与转向架之间装设刚度为Ｋ2X的回转复原弹 簧，且当Ｋ1X=３０兆牛／米和Ｋ2X=5Leabharlann 0千牛／米时，K1Y与VCR的关系。
4) 影响车体蛇行运动临界速度的其他参数还有:
（１）装设于中央弹簧装置中的横向阻尼对车体蛇行运动的稳定性影响 较大
（２）车体摇头惯性半径ρψ
为复杂
对车体蛇行的影响较
以车体下心及上心滚摆为主的车体蛇行不太受ρψ 的影 响，以摇头为主的车体蛇行则随ρψ 的变动有显著的变化。 当 ρψ 非常小的时候，下部临界速度非常高，但一旦出现车 体蛇行，在高速时也很难消除。随着ρψ 的增大，蛇行运动的 上部临界速度逐渐降低，而下部临界速度变化不大，因此蛇 行运动的不稳定区缩小，所以总可以找到能完全消除车体蛇 行运动的适当的ρψ 值。在设计车体时，希望ρψ 在５—7.5米 的范围内考虑车体的重量分配。
（３）车辆定距2L对以车体摇头为主的蛇行运动影响较大
2L在某个值以下时，明显地出现不稳定的摇头蛇行，车体摇头蛇 行的范围随着 2L的增大而缩小。目前我国主型客车的2L＝１７米，这 个数值还是较为合适的。
（４）中央弹簧和轴箱弹簧的垂直刚度对车体蛇行运动的 临界速度影响不大
影响车体、转向架蛇行运动临界速度的因素很多，所以在设计车辆 时，特别要对转向架作多种方案的比较计算，以便根据垂直及横向的平 稳性、蛇行运动稳定性、通过曲线的稳定性等各种技术经济指标来全面 地考虑和选择各项参数。
５）减轻轮对及轴箱等簧下重量，对提高转向架蛇 行运动的临界速度是有利的。
中央悬挂装置中回转复原弹簧对转向架及车体起着回转复 原的作用，选择它的刚度值K2X较为重要。 中央弹簧装置横向间距对车体的横向平稳性有显著的影响， 所以必须从平稳性的角度来考虑
。
6 ) 其他参数：
轮对的摇头转动惯量与质量、转向架构架的摇头转动 惯量与质量、转向架定距、轴箱弹簧装置横向间距等，在 设计转向架时，对这些参数很少有选择的余地，同时它们 在可变动的范围内对转向架临界速度的影响也较小。
2. 影响车体蛇行运动临界速度的主要因素
现在进一步从整车的角度来讨论影响车体蛇行运动临界速度的主要 因素。
1) 轮对横向定位刚度K1Y对车体蛇行运动的临 界速度VCR的影响
图４—１７表示回转复原弹簧的刚度K2X=０、轮 对纵向定位刚度值K1X=３０兆牛/米时，轮对横向定 位刚度值K1Y与车体和转向架蛇行运动临界速度VCR 的关系。 在设计转向架时，将轮对定位刚度K1X、 K1Y选 择得很大对防止蛇行运动是不利的。由图还可看出， 如适当选择K1Y值，以车体滚摆为主的蛇行运动是有 可能避免出现的，但仅靠合适的K1Y来防止以车体摇 头为主的蛇行运动还是有困难的。